Vuonna 1935, kun kvanttimekaniikka ja Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria olivat hyvin nuoria, ei-niin kuuluisa neuvostofyysikko Matvei Bronstein, 28-vuotiaana, teki ensimmäisen yksityiskohtaisen tutkimuksen näiden kahden teorian yhteensovittamisesta kvantitatiivisessa painovoimateoriassa. Tämä "kenties koko maailman teoria", kuten Bronstein kirjoitti, voisi syrjäyttää Einsteinin klassisen painovoimakuvauksen, jossa se nähdään käyrinä avaruus-avaruuden jatkumossa, ja kirjoittaa se uudelleen kvanttikielellä, kuten kaikki muutkin fysiikat.
Bronstein keksi, kuinka kuvaaa painovoimaa kvantisoituneina hiukkasina, joita nyt kutsutaan gravitoneiksi, mutta vain silloin, kun painovoima on heikko - eli (yleensä suhteellisuusteoria), kun avaruusaika on niin heikosti kaareva, että se on käytännöllisesti litteä. Kun painovoima on vahva, "tilanne on täysin erilainen", tutkija kirjoitti. "Ilman klassisten käsitteiden syvällistä tarkistusta näyttää melkein mahdottomalta esittää kvanttiteoriaa painovoimasta tällä alueella."
Hänen sanansa olivat profeetallisia. 85 vuotta myöhemmin fyysikot yrittävät edelleen ymmärtää, kuinka avaruuden aikakaarevuus ilmenee makroskooppisessa mittakaavassa, johtuen perusteellisemmasta ja oletettavasti kvanttikuvasta painovoimasta; ehkä fysiikan syvin kysymys. Ehkä jos olisi mahdollisuus, Bronsteinin valoisa pää nopeuttaisi tämän etsinnän prosessia. Kvanttigravitaation lisäksi hän osallistui myös astrofysiikkaan ja kosmologiaan, puolijohdeteoriaan, kvantielektrodynamiikkaan ja kirjoitti useita kirjoja lapsille. Vuonna 1938 hän joutui stalinistiseen sortoon ja teloitettiin 31-vuotiaana.
Täydellisen kvanttigravitaation teorian etsimistä monimutkaistaa se, että painovoiman kvanttiominaisuudet eivät koskaan ilmene todellisessa kokemuksessa. Fyysikot eivät näe, kuinka Einsteinin kuvausta sileästä avaruus-ajan jatkumosta loukataan tai Bronsteinin kvanttimääritystä siitä hieman kaarevassa tilassa.
Ongelma on gravitaatiovoiman äärimmäisessä heikkoudessa. Vaikka kvantisoidut hiukkaset, jotka lähettävät voimakkaita, heikkoja ja sähkömagneettisia voimia, ovat niin voimakkaita, että ne sitoutuvat tiiviisti atomiin ja voidaan tutkia kirjaimellisesti suurennuslasin alla, gravitonit erikseen ovat niin heikkoja, että laboratorioilla ei ole mahdollisuutta havaita niitä. Gravitonin kiinniottamiseksi suurella todennäköisyydellä hiukkasdetektorin on oltava niin suuri ja massiivinen, että se putoaa mustaan reikään. Tämä heikkous selittää, miksi tähtitieteellisiä massakertymiä tarvitaan vaikuttamaan muihin massiivisiin kehoihin painovoiman kautta ja miksi näemme painovoimavaikutukset valtavissa asteikoissa.
Tämä ei ole kaikki. Maailmankaikkeus näyttää olevan jonkinlaisen kosmisen sensuurin alainen: voimakkaan painovoiman alueet - joissa avaruus-aika-käyrät ovat niin teräviä, että Einsteinin yhtälöt epäonnistuvat ja painovoiman ja avaruus-ajan kvanttiluonne on paljastettava - piiloutuvat aina mustien reikien horisontin taakse.
"Jo muutama vuosi sitten oli olemassa yleinen yksimielisyys siitä, että gravitaatiokentän kvantisointia oli todennäköisesti mahdotonta mitata millään tavalla", sanoo Harvardin yliopiston teoreettinen fyysikko Igor Pikovsky.
Mainosvideo:
Ja tässä on joitain viimeaikaisia julkaisuja, jotka on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä ja jotka ovat muuttaneet tilannetta. Nämä artikkelit väittävät, että on mahdollista päästä kvanttipainoon - edes tietämättä siitä mitään. Lehdet, jotka ovat kirjoittaneet Sugato Bose Lontoon University Collegesta, Chiara Marletto ja Vlatko Vedral Oxfordin yliopistosta, ehdottavat teknisesti haastavaa, mutta toteutettavissa olevaa kokeilua, joka voisi vahvistaa, että painovoima on kvanttivoima kuten kaikki muutkin ilman, että vaaditaan gravitonin havaitsemista. Miles Blencoe, Dartmouthin yliopiston kvanttifysiikka, joka ei ollut mukana työssä, sanoo, että tällainen kokeilu voisi paljastaa selkeän jäljen näkymättömästä kvanttipainosta - "Cheshiren kissan hymy".
Ehdotetulla kokeilulla määritetään, muuttuuko kaksi kohdetta - Bose-ryhmä aikoo käyttää paria mikrotimantteja - takertuvansa kvantmekaanisesti keskenään keskinäisen painovoimaprosessin prosessiin. Sitoutuminen on kvantti-ilmiö, jossa hiukkaset kietoutuvat erottamattomasti jakaen yhden fyysisen kuvauksen, joka määrittelee niiden mahdolliset yhdistelmätilat. (Erilaisten mahdollisten tilojen rinnakkaiseloa kutsutaan "superpositioksi" ja se määrittelee kvantijärjestelmän). Esimerkiksi pari takertuneita hiukkasia voi esiintyä superpositiossa, jossa hiukkas A pyörii alhaalta ylöspäin 50% todennäköisyydellä ja B - ylhäältä alaspäin ja päinvastoin 50% todennäköisyydellä. Kukaan ei tiedä etukäteen, minkä tuloksen saat mittaamalla hiukkasten spin-suunnan, mutta voit olla varma siitäettä heillä on sama.
Kirjoittajat väittävät, että ehdotetun kokeen kaksi objektia voivat takertua tällä tavalla vain, jos niiden välillä toimiva voima - tässä tapauksessa painovoima - on gravitonien välittämä kvanttivuorovaikutus, joka voi tukea kvanttien superpositioita. "Jos koe suoritetaan ja takertuminen saadaan paperin mukaan, voidaan päätellä, että painovoima on kvantisoitu", Blenkow selitti.
Takertu timantti
Kvanttipaino on niin hieno, että jotkut tutkijat ovat kyseenalaistaneet sen olemassaolon. Kuuluisa matemaatikko ja fyysikko Freeman Dyson, joka on 94-vuotias, on väittänyt vuodesta 2001 lähtien, että maailmankaikkeus voi tukea eräänlaista "dualistista" kuvausta, jossa "Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian kuvaama gravitaatiokenttä on puhtaasti klassinen kenttä ilman minkäänlaista kvantikäyttäytymistä". ja kaikki aineet tässä sileässä avaruus-aika-jatkuvuudessa kvantisoidaan partikkeleilla, jotka noudattavat todennäköisyyssääntöjä.
Dyson, joka auttoi kehittämään kvanttielektrodynamiikkaa (aineen ja valon välisen vuorovaikutuksen teoriaa) ja on emeritusprofessori syventävän tutkimuksen instituutissa Princetonissa, New Jerseyssä, ei usko, että kvanttigravitaatio on tarpeen kuvaamaan mustien reikien saavuttamattomia syvyyksiä. Ja hän uskoo myös, että hypoteettisen gravitonin havaitseminen voi olla periaatteessa mahdotonta. Hän sanoo, että tässä tapauksessa kvanttipaino on metafyysinen, ei fyysinen.
Hän ei ole ainoa epäilijä. Kuuluisa englantilainen fyysikko Sir Roger Penrose ja unkarilainen tutkija Lajos Diosi olettivat itsenäisesti, että avaruus-aika ei voinut tukea superpositiota. He uskovat, että sen sileä, vankka, pohjimmiltaan klassinen luonne estää sitä taipumasta kahteen mahdolliseen polkuun samanaikaisesti - ja juuri tämä jäykkyys johtaa kvantisysteemien, kuten elektronien ja fotonien, superpositioiden romahtamiseen. Heidän mielestään”gravitaation erottaminen” sallii yhden, kiinteän, klassisen todellisuuden tapahtumisen, joka voidaan tuntea makroskooppisessa mittakaavassa.
Kvanttipainovoiman löytäminen näyttäisi kumottavan Dysonin väitteen. Se tappaa myös gravitaation erottamisen teorian osoittamalla, että painovoima ja avaruusaika tukevat kvantti superpositioita.
Bosen ja Marleton ehdotukset ilmestyivät samanaikaisesti ja täysin vahingossa, vaikka asiantuntijat huomauttavatkin, että ne heijastavat ajan henkeä. Kokeelliset kvanttifysiikan laboratoriot ympäri maailmaa asettavat yhä suurempia mikroskooppisia esineitä kvanttien superpositsioihin ja optimoivat testiprotokollat kahden kvanttijärjestelmän takertumiseksi. Ehdotetussa kokeessa tulisi yhdistää nämä menettelyt, kun taas vaaditaan lisäparannuksia mittakaavassa ja herkkyydessä. se voi viedä kymmenen vuotta. "Mutta ei ole fyysistä umpikujaa", sanoo Pikovsky, joka tutkii myös, miten laboratoriokokeet voisivat koettaa painovoimailmiöitä. "Minusta se on vaikeaa, mutta ei mahdotonta."
Suunnitelma on yksityiskohtaisesti Bosen ja yhteistyökumppanien - Oceanin yksitoista asiantuntijaa ehdotuksen eri vaiheissa - työssä. Esimerkiksi Warwickin yliopiston laboratoriossa yhteiskirjailija Gavin Morley työskentelee ensimmäisessä vaiheessa yrittäen laittaa mikrotimantin kvantti-superpositioon kahdessa paikassa. Tätä varten hän sulkee typpiatomin mikrotimanttissa, timanttirakenteessa olevan vapaan paikan vieressä (ns. NV-keskus tai typpisubstituoitu avoin paikka timantissa), ja lataa sen mikroaaltopulssilla. NV-keskuksen ympäri kiertävä elektroni absorboi samanaikaisesti valoa, mutta ei, ja järjestelmä menee kahden spin-suunnan - ylös ja alas - kvanttiseen superpositioon kuin yläosa, joka pyörii myötäpäivään tietyllä todennäköisyydellä ja vastapäivään tietyllä todennäköisyydellä. Mikrodimantilla, joka on ladattu tällä superpositiotulpalla, altistetaan magneettikentälle,mikä saa ylemmän kehrän liikkumaan vasemmalle ja alapää kehrä oikealle. Itse timantti on jaettu kahden suuntauksen superpositioon.
Täydellisessä kokeessa tutkijoiden on tehtävä kaikki tämä kahdella timantilla - sanoen punaisella ja sinisellä -, jotka sijaitsevat vierekkäin ylimääräisessä tyhjiössä. Kun niitä pitävä ansa sulkeutuu, kaksi mikrotimantia, molemmat kahden aseman päällekkäin, putoaa pystysuoraan tyhjiössä. Kun timantit putoavat, he tuntevat jokaisen niistä vakavuuden. Kuinka vahva heidän gravitaatiovetonsa on?
Jos painovoima on kvanttinen vuorovaikutus, vastaus on: siitä riippuen. Jokainen sinisen timantin superpositsion komponentti kokee voimakkaamman tai heikomman vetovoiman punaiseen timantiin riippuen siitä, onko jälkimmäinen superpositiossa, joka on lähempänä vai kauempana. Ja sen painovoima, jonka jokainen punaisen timantin superpositiotiedon osa tuntee, on samalla tavalla riippuvainen sinisen timantin tilasta.
Kummassakin tapauksessa erilaiset gravitaation vetovoimat vaikuttavat timanttien superpositioiden kehittyviin komponentteihin. Kaksi timanttia muuttuvat toisistaan riippuvaisiksi, koska niiden tilat voidaan määrittää vain yhdessä - jos tämä tarkoittaa, että - siksi lopulta NV-keskusten kahden järjestelmän pyörimissuunnat korreloivat.
Sen jälkeen kun mikrotimanttit ovat pudonneet vierekkäin kolmen sekunnin ajan - tarpeeksi juuttuneeksi painovoimaan -, ne kulkevat toisen magneettikentän läpi, joka kohdistaa jälleen kunkin superposition haarat. Kokeen viimeinen vaihe on tanskalaisen fyysikon Barbara Teralin ja muiden kehittämä takertumisen todistajaprotokolla: siniset ja punaiset timantit tulevat erilaisiin laitteisiin, jotka mittaavat NV-keskusjärjestelmien spin-suunnat. (Mittaus johtaa superpositioiden romahtamiseen tiettyihin tiloihin). Sitten kahta tulosta verrataan. Suorittamalla kokeen yli ja yli ja vertaamalla useita paria spinimittauksia, tutkijat voivat selvittää, korreloivatko kahden kvanttijärjestelmän spinnit toisinaan useammin kuin määritellä yläraja kohteille, jotka eivät ole kvantti-mekaanisesti takertuneita toisiinsa. Jos niin,painovoima ei takertu timantteja ja voi ylläpitää superpositiota.
"Mielenkiintoista tässä kokeilussa on, että sinun ei tarvitse tietää, mikä kvantiteoria on", Blenkow sanoo. "Ainoa mitä tarvitaan, on väittää, että tällä alueella on jokin kvanttinäkökohta, jota näiden kahden hiukkasen välinen voima välittää."
Teknisissä vaikeuksissa on paljon. Suurin esine, joka on päällekkäin asetettu kahteen kohtaan aiemmin, on 800 atomin molekyyli. Jokainen mikrotimanti sisältää yli 100 miljardia hiiliatomia - tarpeeksi rakentamaan konkreettista painovoimaa. Sen kvanttimekaanisen luonteen purkaminen vaatii matalat lämpötilat, syvä tyhjiö ja tarkan ohjauksen. "Alkuperäisen superpositiikan asettamiseen ja laukaisuun liittyy paljon työtä", sanoo Peter Barker, kokeellisen ryhmän jäsen, joka parantaa laserjäähdytystä ja mikrotimantin sieppaustekniikoita. Jos se voitaisiin tehdä yhdellä timantilla, Bose lisää, "toinen ei ole ongelma."
Mikä tekee painovoimasta ainutlaatuisen?
Kvanttigravitaation tutkijoilla ei ole epäilystäkään siitä, että painovoima on kvanttinen vuorovaikutus, joka voi aiheuttaa takertumisen. Tietenkin, painovoima on jonkin verran ainutlaatuinen, ja tilan ja ajan alkuperistä on vielä paljon opittavaa, mutta kvantimekaniikkaan olisi ehdottomasti osallistuttava, tutkijat sanovat. "No, todella, mitä järkeä on teoriassa, jossa suuri osa fysiikasta on kvantti ja painovoima on klassista", sanoo MIT: n kvanttigravitaation tutkija Daniel Harlow. Teoreettiset perusteet sekalaisia kvantiklassisia malleja vastaan ovat erittäin vahvoja (vaikkakaan ei lopullisia).
Toisaalta teoreetikot ovat olleet väärässä aiemmin.”Jos voit tarkistaa, miksi ei? Jos se vaientaa nämä ihmiset, jotka kyseenalaistavat painovoiman kvantiteetin, se olisi hienoa”, Harlow sanoi.
Luettuaan artikkelit Dyson kirjoitti: "Ehdotettu koe on epäilemättä erittäin kiinnostava ja vaatii suorittamista todellisen kvantijärjestelmän olosuhteissa." Hän huomauttaa kuitenkin, että kirjoittajien ajatussuunta kvanttikentistä on erilainen kuin hänen.”Minulle ei ole selvää, pystyykö tämä kokeilu ratkaisemaan kysymyksen kvanttigravitaation olemassaolosta. Kysymykseni - havaitsemmeko erillisen gravitonin - on toinen kysymys, ja siihen voi olla erilainen vastaus."
Bose, Marletto ja heidän kollegansa ajattelivat kvantisoidusta painovoimasta juontavat Bronsteinin työstä jo vuonna 1935. (Dyson kutsui Bronsteinin teosta "kauniiksi teokseksi", jota hän ei ollut ennen nähnyt). Erityisesti Bronstein osoitti, että pienen massan tuottama heikko painovoima voidaan arvioida Newtonin painovoimalailla. (Tämä on voima, joka toimii mikrodimanttien superpositioiden välillä). Blencoen mukaan heikon kvantisoidun painovoiman laskelmia ei ole erityisesti tehty, vaikka ne ovat varmasti merkityksellisempiä kuin mustien reikien tai Big Bang -fysiikka. Hän toivoo, että uusi kokeellinen ehdotus rohkaisee teoreetikkoja etsimään hienovaraisia tarkennuksia Newtonin likimääräisyyteen, jota tulevat pöytäkokeet voivat yrittää testata.
Stanfordin yliopistossa tunnustettu kvanttipaino- ja joustoteoreetikko Leonard Susskind näki ehdotetun kokeen arvon, koska "se tarjoaa havaintoja painovoimasta uudella massa- ja etäisyysalueella". Mutta hän ja muut tutkijat korostivat, että mikrotimantit eivät voi paljastaa mitään täydellisestä kvanttipainoisuuden tai avaruusajan teoriasta. Hän ja hänen kollegansa haluaisivat ymmärtää, mitä tapahtuu mustan aukon keskellä ja Ison räjähdyksen aikaan.
Ehkä yksi vihjeistä siitä, miksi painovoimaa on niin paljon vaikeampi kvantifioida kuin mikään muu, on se, että muilla luonnonvoimilla on ns. "Sijainti": kvanttihiukkaset kentän yhdellä alueella (esimerkiksi sähkömagneettisen kentän fotonit) ovat "riippumattomia muita fyysisiä kokonaisuuksia toisella avaruusalueella”, sanoo Brittiläisen Kolumbian yliopiston kvanttipainovoiman teoreetikko Mark van Raamsdonk. "Mutta on paljon teoreettista näyttöä siitä, että painovoima ei toimi tällä tavalla."
Parhaimmissa kvanttigravitaatioissa (yksinkertaistetuilla avaruus-ajan geometrioilla) on mahdotonta olettaa, että nauha-aika-kangas on jaettu itsenäisiin kolmiulotteisiin kappaleisiin, van Raamsdonk sanoo. Sen sijaan moderni teoria ehdottaa, että avaruuden taustalla olevat perustavanlaatuiset komponentit ovat "pikemminkin kaksiulotteisesti järjestettyjä". Avaruusajan kangas voi olla kuin hologrammi tai videopeli. "Vaikka kuva on kolmiulotteinen, tiedot tallennetaan kaksiulotteiseen tietokonepiirille." Tässä tapauksessa kolmiulotteinen maailma on illuusio siinä mielessä, että sen eri osat eivät ole niin itsenäisiä. Samanlainen kuin videopeli, muutama bitti kaksiulotteisessa sirussa voi koodata koko pelin universumin globaalit toiminnot.
Ja tällä erolla on merkitystä, kun yrität luoda painovoiman kvantiteoriaa. Tavallinen lähestymistapa jonkin kvantisoimiseksi on sen riippumattomien osien - esimerkiksi hiukkasten - määritteleminen ja kvanttimekaniikan soveltaminen niihin. Mutta jos et tunnista oikeita ainesosia, päädyt vääriin yhtälöihin. Kolmiulotteisen tilan suora kvantisointi, jonka Bronstein halusi tehdä, toimii jossain määrin heikolla painovoimalla, mutta osoittautuu hyödyttömäksi, kun avaruusaika on hyvin kaareva.
Jotkut asiantuntijat sanovat, että kvanttigravitaation “hymyn” todistaminen voi motivoida tällaista abstraktia päättelyä. Loppujen lopuksi kokeelliset todisteet eivät tue edes kovimpia teoreettisia perusteita kvanttigravitaation olemassaolosta. Kun van Raamsdonk selittää tutkimuksensa tutkijoiden kollokviumissa, hän sanoo, se alkaa yleensä kertomalla, kuinka painovoimaa on mietittävä kvantimekaniikan avulla, koska klassinen avaruusaikakuvaus hajoaa mustissa aukkoissa ja isossa räjähdyksessä.
"Mutta jos teet tämän yksinkertaisen kokeen ja osoitat, että gravitaatiokenttä oli superpositiossa, klassisen kuvauksen epäonnistuminen tulee ilmeiseksi. Koska tapahtuu kokeilu, joka viittaa siihen, että painovoima on kvantti."
Perustuu Quanta-lehden materiaaleihin
Ilja Khel
